(57)【要約】【課題】  感度の大幅な改善を可能にする小型の固体撮像装置を提供する。【解決手段】  複数の光電変換部１７が形成された半導体基板１１と、光電変換部１７毎に光電変換部１７上方に位置するように設けられた複数のマイクロレンズ１２３と、光電変換部１７毎に光電変換部１７上方に位置するように設けられた透過波長帯域の異なるフィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃが２次元状に配置されてなるカラーフィルタ層１５とを備え、複数の光電変換部１７は、第１の光電変換部と、第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜の下方に位置する第２の光電変換部とを有し、第２の光電変換部上方に位置するマイクロレンズ１２３は、第１の光電変換部上方に位置するマイクロレンズ１２３よりも大きな屈折率を持つ。【選択図】        図１
2006344755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、
前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された複数のマイクロレンズと、
前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された、透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、
前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、
前記第２の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズは、前記第１の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズよりも大きな屈折率を持つ
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、
前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された複数のマイクロレンズと、
前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された、透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、
前記マイクロレンズは、低屈折率材料と、高屈折率材料とから構成され、
前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、
前記第２の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズに含まれる高屈折率材料の体積が、前記第１の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズに含まれる高屈折率材料の体積よりも大きい
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、
前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された複数のマイクロレンズと、
前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、
前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、
前記第２の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズの高さは、前記第１の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズよりも高い
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズの屈折率が、前記第１の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズの屈折率よりも大きい
ことを特徴する請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記マイクロレンズを構成する材料は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ及び酸化ハフニウムのいずれかを含む
ことを特徴する請求項１〜４のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、
前記半導体基板上に設置された高屈折率膜と、
前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、
前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、
前記第２の光電変換部上方に位置する前記高屈折率膜は、前記第１の光電変換部上方に位置する前記高屈折率膜よりも大きな屈折率を持つ
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、
前記半導体基板上に設置された高屈折率膜と、
前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、
前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、
前記第２の光電変換部上方に位置する前記高屈折率膜は、前記第１の光電変換部上方に位置する前記高屈折率膜よりも厚い
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
前記高屈折率膜を構成する材料は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ及び酸化ハフニウムのいずれかを含む
ことを特徴する請求項６又は７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
ことを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像装置に関し、特に、固体撮像装置を構成する受光セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な固体撮像装置では、半導体基板上に複数の受光セルが形成され、各受光セルは遮光膜の開口部を通して入射した光を光電変換する光電変換部と遮光膜上に形成された色分離を行うカラーフィルタとを備える構造を有している。カラーフィルタとしては原色フィルタ、もしくは補色フィルタが一般的である。原色フィルタでは赤（Ｒ）、青（Ｂ）、及び緑（Ｇ）が用いられ、補色フィルタでは赤の補色であるシアン（Ｃ）、緑の補色であるマゼンタ（Ｍ）、及び青の補色である黄（Ｙ）が用いられる。一般的に補色フィルタを用いた固体撮像装置では、この３色と緑（Ｇ）とを通して得た信号が用いられている。そして、各受光セルに上記の色のいずれかが一定のパターンで割り当てられる。そうすることで、各受光セルは、カラーフィルタによって色分離された色信号の輝度に応じて信号を生成する。（例えば、特許文献１、２参照。）
また、上記の信号を大きくして高感度を実現するために、カラーフィルタの上下にマイクロレンズ等を形成することで、高Ｓ／Ｎ化が図られている。（例えば、特許文献３参照。）
図７に従来の固体撮像装置の受光セル１ａ、１ｂ、１ｃの断面図を示す。
【０００３】
各受光セルは、Ｎ型不純物が添加されたシリコンからなる半導体基板１１を基礎として、絶縁層１３、金属層１４、及びカラーフィルタ層１５が形成されてなる。このとき、半導体基板１１内には光電変換層１２が形成されている。光電変換層１２は、半導体基板１１にＰ型不純物をイオン注入することでＰ型ウェル１６を形成し、さらに、Ｐ型ウェル１６にＮ型不純物をイオン注入することで形成されるＮ型領域である光電変換部１７を有する層である。
【０００４】
絶縁層１３は、光電変換層１２と金属層１４とを絶縁するために光電変換層１２上に設けられた層間膜１８からなる層である。
【０００５】
金属層１４は、遮光膜１９を含む層である。金属層１４の形成においては、遮光膜１９が形成された後に、遮光膜１９上に平坦化層としての層間膜３１が形成される。さらに遮光膜１９の上の層間膜３１の上に形成されたカラーフィルタ層１５は、青のフィルタ膜２１ａ、緑のフィルタ膜２１ｂ、及び赤のフィルタ膜２１ｃからなるカラーフィルタと、カラーフィルタ上の層間膜２２とを有する層である。また、カラーフィルタ層１５の上には、マイクロレンズ２３が形成されている。複数のマイクロレンズ２３は、光電変換部１７毎に光電変換部１７上方に位置するように設けられている。
【０００６】
入射光２４は、受光セル上方から入射し、カラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズ２３により集光され、青のフィルタ膜２１ａ、緑のフィルタ膜２１ｂ、あるいは赤のフィルタ膜２１ｃを透過した光は遮光膜１９の開口部２０を経て、光電変換部１７に到達する。
【特許文献１】特開平１０−３４１０１２号公報
【特許文献２】特開平５−３２６９０２号公報
【特許文献３】特開２０００−１６４８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、固体撮像装置の高画素化を実現するために受光セルが微細化されて小さくなると、遮光膜１９の開口部２０の幅が極端に狭くなり、遮光膜１９の開口部２０の幅が、赤（Ｒ）色光、緑（Ｇ）色光、及び青（Ｂ）色光等の可視光の波長に近づく。そして、遮光膜１９の開口部２０の幅が可視光の波長よりも小さくなった場合には、マイクロレンズや層内レンズがあった場合でも、各フィルタ膜を透過した光を開口部２０に集めることが難しくなる。特に長波長の光である赤（Ｒ）色光は、短波長の光である緑（Ｇ）色光、青（Ｂ）色光に比べて集光が難しいために、開口部２０を透過して光電変換部１７まで到達させることが難しくなる。
【０００８】
そこで、本発明は、受光セルが微細化されて遮光膜の開口幅が小さくなった場合にでも光の集光率を向上させることで、遮光膜の狭い開口部を透過する光量を増加させることができ、感度の大幅な改善を可能にする小型の固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された複数のマイクロレンズと、前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された、透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、前記第２の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズは、前記第１の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズよりも大きな屈折率を持つことを特徴とする。
【００１０】
上記構成とすることで、本発明に係る固体撮像装置では、長波長の光を透過するフィルタ膜の上又は下に形成されたマイクロレンズの屈折率を、短波長の光を透過するフィルタ膜の上又は下に形成されたマイクロレンズの屈折率よりも大きくすることができる。その結果、集光することが難しい長波長帯域の光の集光率を向上させることができ、長波長帯域の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。その結果、受光セルが微細化されて遮光膜の開口幅が小さくなった場合にでも光の集光率を向上させて、遮光膜の狭い開口部を透過する光量を増加させることができ、感度の大幅な改善を可能にする小型の固体撮像装置を実現することができる。
【００１１】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された複数のマイクロレンズと、前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された、透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、前記マイクロレンズは、低屈折率材料と、高屈折率材料とから構成され、前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、前記第２の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズに含まれる高屈折率材料の体積が、前記第１の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズに含まれる高屈折率材料の体積よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
上記構成とすることで、マイクロレンズが低屈折率材料と高屈折率材料との複数の材料で構成され、その体積比率を変化させることで、長波長帯域の光を透過するカラーフィルタの上又は下にあるマイクロレンズの平均的な屈折率を、短波長帯域の光を透過するカラーフィルタの上又は下にあるマイクロレンズの平均的な屈折率よりも大きくすることができる。その結果、集光することが難しい長波長帯域の光の集光率を向上させることができ、長波長帯域の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された複数のマイクロレンズと、前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、前記第２の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズの高さは、前記第１の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズよりも高いことを特徴とする。
【００１４】
上記構成とすることで、長波長の光を透過するカラーフィルタの上又は下に形成されたマイクロレンズの高さを、短波長の光を透過するカラーフィルタの上又は下に形成されたマイクロレンズの高さよりも高くすることができる。その結果、集光することが難しい長波長帯域の光の集光率を向上させることができ、長波長帯域の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、前記第２の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズの屈折率が、前記第１の光電変換部上方に位置する前記マイクロレンズの屈折率よりも大きくてもよい。
【００１６】
上記構成とすることで、長波長の光を透過するカラーフィルタの上又は下に形成されたマイクロレンズの屈折率が、短波長の光を透過するカラーフィルタの上又は下に形成されたマイクロレンズの屈折率よりも大きくなる。その結果、レンズの高さを高くする効果に加えて、屈折率の効果も加わるため、長波長帯域の光の集光率をさらに改善することができるため、長波長の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、前記マイクロレンズを構成する材料は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ及び酸化ハフニウムのいずれかを含んでもよい。
【００１８】
上記構成のように、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ又は酸化ハフニウム等の高屈折率材料をマイクロレンズに用いることで、一般的に絶縁膜としてよく利用されている屈折率１．４５のシリコン酸化膜の場合に比べて屈折率を特に大きくとることができる。その結果、長波長帯域の光の集光率を改善することができるため、長波長の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００１９】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、前記半導体基板上に設置された高屈折率膜と、前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、前記第２の光電変換部上方に位置する前記高屈折率膜は、前記第１の光電変換部上方に位置する前記高屈折率膜よりも大きな屈折率を持つことを特徴とする。
【００２０】
上記構成にすることで、長波長帯域の光を透過するカラーフィルタの上又は下にある高屈折率膜の屈折率が、短波長帯域の光を透過するカラーフィルタの上又は下にある高屈折率膜の屈折率よりも大きくなる。その結果、集光することが難しい長波長帯域の光が大きな入射角度を持って受光セルに入射した場合に、高屈折率膜により、大きな入射角度を持って入射した光を光電変換部の方向へ曲げて入射させることが容易となるため、長波長帯域の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００２１】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の光電変換部と、前記半導体基板上に設置された高屈折率膜と、前記光電変換部毎に前記光電変換部上方に位置するように前記半導体基板上に設置された透過波長帯域の異なるフィルタ膜が２次元状に配置されてなるカラーフィルタとを備え、前記複数の光電変換部には、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部上方のフィルタ膜よりも長波長の光を透過させるフィルタ膜下方に位置する第２の光電変換部とが存在し、前記第２の光電変換部上方に位置する前記高屈折率膜は、前記第１の光電変換部上方に位置する前記高屈折率膜よりも厚いことを特徴とする。
【００２２】
上記構成にすることで、長波長帯域の光を透過するカラーフィルタの上又は下にある高屈折率膜の膜厚が、短波長帯域の光を透過するカラーフィルタの上又は下にある高屈折率膜の膜厚よりも大きくなる。その結果、集光することが難しい長波長帯域の光が大きな入射角度を持って受光セルに入射した場合に、厚い高屈折率膜によって、大きな入射角度を持って入射した光を光電変換部の方向へ曲げて入射させることが容易となるため、長波長帯域の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、前記高屈折率膜を構成する材料は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ及び酸化ハフニウムのいずれかを含んでもよい。
【００２４】
上記構成のように、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ又は酸化ハフニウム等の高屈折率材料を高屈折率膜に用いることで、一般的に絶縁膜としてよく利用されている屈折率１．４５のシリコン酸化膜の場合に比べて屈折率を特に大きくとることができる。その結果、長波長帯域の光の集光率を改善することができるため、長波長の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る固体撮像装置は、長波長の光を透過するカラーフィルタの上又は下に形成された、マイクロレンズの屈折率、マイクロレンズを構成する高屈折率材料の体積あるいはマイクロレンズの高さ、又は高屈折率材料の屈折率あるいは高屈折率材料の膜厚を、短波長の光を透過するカラーフィルタの上又は下に形成された、マイクロレンズの屈折率、マイクロレンズ構成する高屈折率材料の体積あるいはマイクロレンズの高さ、又は高屈折率材料の屈折率あるいは高屈折率材料の膜厚と異ならせることで、長波長帯域の光の集光率を改善し、長波長の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００２６】
これにより高感度・高Ｓ／Ｎの固体撮像装置を実現できるため、本発明は高画質なカメラを実現するために有効であるといえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態における固体撮像装置について図面に基づいて説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の固体撮像装置の受光セル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの断面図である。各受光セルの半導体基板１１、光電変換層１２、絶縁層１３、金属層１４、及びカラーフィルタ層１５は、図７に示す従来の固体撮像装置の構造と同じ構造を有する。
【００２９】
本実施の形態１の固体撮像装置は、カラーフィルタの透過波長帯域に応じて、カラーフィルタ層１５の上に形成されたマイクロレンズ１２３を構成する材料の屈折率が異なる構造を有する。
【００３０】
受光セルの微細化が進んだ場合に、開口部２０の幅が狭くなる。例えば、開口部２０の幅が２μｍ以下の場合には、開口部２０へ集光することが難しくなる。特に、長波長の透過波長帯域を持つ赤（Ｒ）のフィルタ膜２１ｃを透過した場合には集光が難しくなることは良く知られている。そのため、本実施の形態１の固体撮像装置では、この不具合を解消するために、カラーフィルタの透過波長帯域が長くなるにつれて、マイクロレンズ１２３の屈折率を大きくしている。例えば、短波長の透過波長帯域を持つ青（Ｂ）のフィルタ膜２１ａ上のマイクロレンズ１２３には屈折率１．５の酸化シリコン膜を利用し、中間波長の透過波長帯域を持つ緑のフィルタ膜２１ｂ上のマイクロレンズ１２３には屈折率２．０の窒化シリコン膜を利用し、長波長の透過波長帯域を持つ赤（Ｒ）のフィルタ膜２１ｃ上のマイクロレンズ１２３には屈折率２．５の酸化チタン膜を利用して、透過波長帯域が長波長になるに従い屈折率が大きくなる構造を実現している。これにより、長波長の光の集光率を改善し、長波長の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２の固体撮像装置の受光セル２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃの断面図である。
【００３２】
各受光セルは、図７に示す従来の受光セルと同じ構造の半導体基板１１、光電変換層１２、絶縁層１３、金属層１４、及びカラーフィルタ層１５を備える。
【００３３】
本実施の形態２の固体撮像装置は、各受光セルのカラーフィルタ層１５上に形成されたマイクロレンズ２２３が低屈折率材料２６（例えば屈折率１．５の酸化シリコン）と、低屈折率材料２６よりも大きな屈折率を持つ高屈折率材料２５（例えば屈折率２．０の窒化シリコン）との２種類の材料で構成された構造を有する。
【００３４】
この固体撮像装置では、カラーフィルタの透過波長帯域に応じて、カラーフィルタ層１５の上に形成されたマイクロレンズ２２３における低屈折率材料２６と高屈折率材料２５との構成比率が異なる。すなわち、カラーフィルタの透過波長帯域が長くなるにつれて、マイクロレンズ２２３の高屈折率材料２５の体積比率が大きくなっている。例えば、短波長の透過波長帯域を持つ青（Ｂ）のフィルタ膜２１ａ上のマイクロレンズ２２３では低屈折率材料２６と高屈折率材料２５との体積比率が９：１とされ、中間波長の透過波長帯域を持つ緑のフィルタ膜２１ｂ上のマイクロレンズ２２３では低屈折率材料２６と高屈折率材料２５との体積比率が４：６とされ、長波長の透過波長帯域を持つ赤（Ｒ）のフィルタ膜２１ｃ上のマイクロレンズ２２３では低屈折率材料２６と高屈折率材料２５との体積比率が１：９とされ、透過波長帯域が長波長になるに従い高屈折率材料２５の体積比率が大きくなる構造とされる。これにより、長波長帯域の光を透過するカラーフィルタの上又は下にあるマイクロレンズの平均的な屈折率を、短波長帯域の光を透過するカラーフィルタの上又は下にあるマイクロレンズの平均的な屈折率よりも大きくすることができる。その結果、集光することが難しい長波長帯域の光の集光率を向上させることができ、長波長帯域の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００３５】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３の固体撮像装置の受光セル３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃの断面図である。
【００３６】
各受光セルは、図７に示す従来の受光セルと同じ構造の半導体基板１１、光電変換層１２、絶縁層１３、及びカラーフィルタ層１５を備える。
【００３７】
本実施の形態３の固体撮像装置は、各受光セルのカラーフィルタ層１５の下の金属層３１４に、開口部２０を有する遮光膜１９、層間膜３１、３２及び高屈折率層間膜２７が形成された構成を有する。
【００３８】
この固体撮像装置では、カラーフィルタの透過波長帯域が異なる場合に、カラーフィルタ層１５の下に形成された高屈折率層間膜２７の屈折率が異なる構成となっている。すなわち、カラーフィルタの透過波長帯域が長くなるにつれて、高屈折率層間膜２７の屈折率が大きくなる構成となっている。例えば、短波長の透過波長帯域を持つ青（Ｂ）のフィルタ膜２１ａ下の高屈折率層間膜２７には屈折率１．５の酸化シリコン膜を利用し、中間波長の透過波長帯域を持つ緑のフィルタ膜２１ｂ下の高屈折率層間膜２７には屈折率２．０の窒化シリコン膜を利用し、長波長の透過波長帯域を持つ赤（Ｒ）のフィルタ膜２１ｃ下の高屈折率層間膜２７には屈折率２．５の酸化チタン膜を利用することで、透過波長帯域が長波長になるに従い屈折率が大きくなる構造が実現される。
【００３９】
上記のような構成にすることで、長波長帯域の光を透過するカラーフィルタの下にある高屈折率層間膜２７の屈折率が、短波長帯域の光を透過するカラーフィルタの下にある高屈折率層間膜２７の屈折率よりも大きくなるため、集光することが難しい長波長帯域の光が大きな入射角度を持って受光セルに入射する場合にでも、高屈折率層間膜２７により、大きな入射角度を持って入射した光を光電変換部へ曲げて入射させることができる。その結果、長波長帯域の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００４０】
なお、本実施の形態３の固体撮像装置では、高屈折率層間膜２７がカラーフィルタの下にあるとしたが、高屈折率層間膜２７がカラーフィルタの上にある場合も同様の効果がある。
【００４１】
（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４の固体撮像装置の受光セル４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの断面図である。
【００４２】
本実施の形態４の固体撮像装置は、高屈折率層間膜２７の膜厚が、受光セルによって異なるという点で実施の形態３の固体撮像装置と異なる。
【００４３】
この固体撮像装置では、カラーフィルタの透過波長帯域が異なる場合に、カラーフィルタの透過波長帯域が長くなるにつれて、高屈折率層間膜２７の膜厚が大きくなる構成となっている。例えば、短波長の透過波長帯域を持つ青（Ｂ）のフィルタ膜２１ａ下の高屈折率層間膜２７の膜厚を３００ｎｍとし、中間波長の透過波長帯域を持つ緑のフィルタ膜２１ｂ下の高屈折率層間膜２７の膜厚を５００ｎｍとし、長波長の透過波長帯域を持つ赤（Ｒ）のフィルタ膜２１ｃ下の高屈折率層間膜２７の膜厚を７００ｎｍとすることで、透過波長帯域が長波長になるに従い高屈折率層間膜２７の膜厚が大きくなる構造が実現される。
【００４４】
上記構成にすることで、長波長帯域の光を透過するカラーフィルタの下にある高屈折率層間膜２７の膜厚が、短波長帯域の光を透過するカラーフィルタの下にある高屈折率層間膜２７の膜厚よりも大きくなるため、集光することが難しい長波長帯域の光が大きな入射角度を持って受光セルに入射した場合に、高屈折率層間膜２７が厚いことで、大きな入射角度を持って入射した光を光電変換部へ曲げて入射させることが容易になる。その結果、長波長帯域の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００４５】
なお、本実施の形態４の固体撮像装置では、カラーフィルタの透過波長帯域が受光セル毎に異なる場合に、カラーフィルタの透過波長帯域が長くなるにつれて、高屈折率層間膜２７の膜厚が大きくなり、かつ屈折率も大きくなる構成となっているが、屈折率が同じであり、高屈折率層間膜２７の膜厚だけが大きくなる構成でも同様の効果がある。
【００４６】
また、本実施の形態４の固体撮像装置では、高屈折率層間膜２７がカラーフィルタの下にあるとしたが、高屈折率層間膜２７がカラーフィルタの上にある場合も同様の効果がある。
【００４７】
（実施の形態５）
図５は本発明の実施の形態５の固体撮像装置の受光セル５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃの断面図である。
【００４８】
本実施の形態５の固体撮像装置は、マイクロレンズ１２３の高さが、受光セルによって異なるという点で実施の形態１の固体撮像装置と異なる。
【００４９】
本実施の形態５の固体撮像装置では、カラーフィルタの透過波長帯域が異なる場合に、カラーフィルタ層１５の上に形成されたマイクロレンズ１２３の高さが異なる構造となっている。マイクロレンズ１２３の高さは、カラーフィルタの透過波長帯域が長くなるにつれて、高くなっている。例えば、短波長の透過波長帯域を持つ青（Ｂ）のフィルタ膜２１ａ上のマイクロレンズ１２３の高さを１．０μｍとし、中間波長の透過波長帯域を持つ緑のフィルタ膜２１ｂ上のマイクロレンズ１２３の高さを１．２μｍとし、長波長の透過波長帯域を持つ赤（Ｒ）のフィルタ膜２１ｃ上のマイクロレンズ１２３の高さを１．４μｍとすることで、透過波長帯域が長波長になるに従いマイクロレンズ１２３の高さが高くなる構造が実現される。これにより、長波長の光の集光率を改善し、長波長の光を光電変換する光電変換部の感度を大幅に向上させることができる。
【００５０】
なお、本実施の形態５の固体撮像装置では、受光セルへの光の入射角度が大きくなるにつれて、マイクロレンズ１２３の高さが大きくなり、かつ屈折率も大きくなる構成となっているが、屈折率が同じであり、マイクロレンズ１２３の高さだけが大きくなる構成でも同様の効果がある。
【００５１】
（実施の形態６）
図６は本発明の実施の形態６の固体撮像装置の受光セル６１１ａ、６１１ｂ、６１１ｃの断面図である。
【００５２】
本実施の形態６の固体撮像装置は、同じ透過波長帯域のフィルタ膜を持つ受光セルについては、絶縁層１３、金属層１４の中の絶縁層、及びマイクロレンズ１２３の屈折率が等しいという点で実施の形態１の固体撮像装置と異なる。例えば、同じ透過波長帯域のフィルタ膜を持つ受光セルについては、一つの材料を用いて、絶縁層１３、金属層１４の中の絶縁層、及びマイクロレンズ１２３を構成することにより、それらの屈折率を等しくする。その結果、製造コストを抑えることができる。
【００５３】
なお、各マイクロレンズ１２３による集光効率は、下記の（数１）の式により表現することができる。
【００５４】
（数１）
ｓ＝ｋ×λ／ＮＡ    （ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθ）
ｓ：光が集まるスポットの拡がり径
ｋ：結像の条件によって決まる係数
λ：波長
ｎ：マイクロレンズ下の媒体の屈折率
θ：マイクロレンズの絞り角（図６におけるθ）
【００５５】
上記の（数１）の式より、光が集まるスポットの拡がり径ｓは、係数ｋ及びマイクロレンズの絞り角θが一定であれば、波長λに比例し、屈折率ｎに反比例する。したがって、集光しようとする光の波長λに応じてマイクロレンズ１２３の屈折率ｎを変えれば、集光しようとする光の波長λにかかわらず、光が集まるスポットの拡がり径ｓを一定にすることができる。
【００５６】
例えば、赤色の光と青色の光とに着目する。ここで、赤色の光の波長を「λR」、青色の光の波長を「λB」、赤色の光を集めようとするセルのマイクロレンズ１２３の屈折率を「ｎR」、青色の光を集めようとするセルのマイクロレンズ１２３の屈折率を「ｎB」、と表現する。赤色の光の波長λRは青色の光の波長λB」より長いので、ｎRをｎBより大きくすることにより、赤色の光についても、青色の光についても、光が集まるスポットの拡がり径ｓを一定にすることができる。
【００５７】
また、上記の（数１）の式より、光が集まるスポットの拡がり径ｓは、マイクロレンズの絞り角θが大きくなるにつれて、小さくなる。したがって、マイクロレンズの絞り角θが大きくなるにつれて、屈折率ｎを小さくすれば、マイクロレンズの絞り角θによらず、光が集まるスポットの拡がり径ｓを一定にすることができる。
【００５８】
以上、本発明の固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態の限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００５９】
例えば、上記実施の形態の固体撮像装置を用いてカメラを構成してもよい。
【００６０】
また、マイクロレンズあるいは高屈折率層間膜を構成する材料として酸化シリコン等を用いるとしたが、一般的に絶縁膜としてよく利用されているシリコン酸化膜よりも大きな屈折率の材料であればこれに限られず、例えば酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブまたは酸化ハフニウム等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、固体撮像装置等に利用でき、特にデジタルカメラやデジタルビデオカメラ等に用いられる固体撮像装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態１の固体撮像装置の受光セル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２の固体撮像装置の受光セル２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃの断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３の固体撮像装置の受光セル３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４の固体撮像装置の受光セル４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態５の固体撮像装置の受光セル５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃの断面図である。
【図６】本発明の実施の形態６の固体撮像装置の受光セル６１１ａ、６１１ｂ、６１１ｃの断面図である。
【図７】従来の固体撮像装置の受光セル１ａ、１ｂ、１ｃの断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ、４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、６１１ａ、６１１ｂ、６１１ｃ    受光セル
１１    半導体基板
１２    光電変換層
１３    絶縁層
１４、３１４    金属層
１５    カラーフィルタ層
１６    Ｐ型ウェル
１７    光電変換部
１８、２２、３１、３２    層間膜
１９    遮光膜
２０    開口部
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ    フィルタ膜
２３、１２３、２２３    マイクロレンズ
２４    入射光
２５    高屈折率材料
２６    低屈折率材料
２７    高屈折率層間膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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